DE69203065T2

DE69203065T2 - Achtflächiger Werkzeugmaschinengestell.

Info

Publication number: DE69203065T2
Application number: DE69203065T
Authority: DE
Inventors: Paul A S Charles
Original assignee: Ingersoll Milling Machine Co
Current assignee: Ingersoll Milling Machine Co
Priority date: 1991-08-26
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2012-04-04
Also published as: DE69203065D1; US5392663A; EP0534585B1; US5259710A; JPH05237732A; EP0534585A2; EP0534585A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Werkzeugmaschinen, und insbesondere auf einen Werkzeugmaschinenrahmen, welcher die erforderliche Steifigkeit aufweist, um das Bearbeiten mit Toleranzen und Oberflächenabschlüssen zu ermöglichen, welche bisher bei allgemein im Gebrauch stehenden Werkzeugmaschinen nicht erreichbar waren.
Es ist weitgehend bekannt, daß eine Abmessungstoleranz und der Oberflächenabschluß beim Bearbeiten direkt in Verbindung mit der stationären oder Schwingungsverbiegung des Schneidewerkzeugs oder des Werkstücks oder von beiden in Verbindung steht, welche wiederum mit der Steifigkeit des Systems bezüglich der Größe der durch den Schneidevorgang ausgeübten Belastungen in Zusammenhang steht, unabhängig davon, ob der Vorgang ein Drillen, Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen, Nutziehen oder Kombinationen derselben ist, z.B. das sogenannte "Dreh-Nutziehen". Die zeitgünstige Arbeitspraxis, ein grobes Schneiden zum Entfernen von Material zu verwenden, und ein abschließendes Schneiden, einfach oder mehrfach, für die Größe und den Oberflächenabschluß zu verwenden, ist teilweise eine Wiedergabe des Mangels an Steifigkeit des gesamten Werkzeugsystems; "System" bedeutet in diesem Sinne nicht nur das Schneidewerkzeug und den Rahmen der Maschine, welcher das Werkzeug führt und das Werkstück trägt, sondern ebenso das Werkstück selbst.
Das Werkstück ist im allgemeinen eine Variable in einer allgemeinen Bearbeitungssituation, obwohl dies bei wiederholten Herstellungsbearbeitungsvorgängen, wie z.B. Transferlinien und in gleicher Weise automatisierte Herstellungsbearbeitungsvorgänge, weniger der Fall ist.
In jedem Falle ist jeder bisher unternommene Versuch, eine größere Steifigkeit der Werkzeugmaschine selbst zu realisieren, entweder für den Zweck des Ausübens größerer Schneidekräfte oder zum Erreichen geringerer Bearbeitungstoleranzen oder besserer Abschlüsse, in Richtung der Ausbildung massiver Rahmen im herkömmlichen Format gegangen, unabhängig davon, ob die als sogenannte "Bearbeitungszentren" bezeichnete Art mit freistehender Säule horizontale Spindeln, C-Rahmen mit kleineren Vertikalspindelmaschinen oder die säulenüberspannenden Träger sogenannter Portal- oder Gerüstmaschinen aufweist.
Das sowjetische Patent SU 1380915 offenbart eine Maschine mit einem hohlen polyedrischen Rahmen, z.B. einem Kubus. Ihre Spindeleinheiten sind in vertikalen Säulen in der vertikalen Wandung des Kubus angebracht. Jedes Werkzeug weist eine zu seiner tragenden vertikalen Wandung orthogonale Achse auf. Somit werden die Spindelbelastung und die Biegebelastung auf das vertikale Zentruin einer aufrechtstehenden Kubuswandung übertragen.
Eine bemerkenswerte Änderung ist 1987 mit der öffentlichen Bekanntmachung einer Maschine in Großbritannien aufgetreten, welche einen tetraedrischen Rahmen aufweist, der als eine Schleifvorrichtung ausgestattet ist, und welche in der Lage ist, Toleranzen im Nanometerbereich zu erhalten. Photographien, welche in der London Times voin 3. Januar 1988 sowie in einer Literatur des National Physical Laboratory von 1987 veröffentlicht worden sind, zeigen einen tetraedrischen Rahmen aus sechs starken Streben, welche jeweils an ihren Enden mit einer großen Kugel an jedem der vier Knoten des Rahmens verbunden sind, und welche jeweils eine lastaufnehinende Längenmittenverbindung mit dem Werkstückträger oder dem Werkzeugspindelträger aufweisen. Da der veröffentlichte Prototyp in einem relativ kleinen Maßstab konstruiert war, haben die rohrförmigen Streben eine Vibrationsdämpfung vorgesehen und sind auf eine natürliche Frequenz abgestimmt gewesen, welche deutlich oberhalb des Niveaus der weg zunehmenden Anregungsfrequenzen war.
Der tetraedrische Rahmen ist der Gegenstand des US-Patents Nr. 4872291 vom 10. Oktober 1989.
Die praktischen Beschränkungen des tetraedrischen Rahmens, welche zum größten Teil auf dessen Mangel an orthogonaler Symmetrie um den Werkzeug-Werkstück-Übergang zurückzuführen sind, auf seine schlechte Effizienz des Gebrauchs des Fabrikraums aufgrund des beschränkten verwendbaren Raums innerhalb seiner Grenzen und auf seinen Mangel an einer geeigneten Fähigkeit, Kräfte von den Werkzeug- und Werkstückträgern auf den Rahmen ohne eine Biegebelastung des Rahmens zu übertragen, haben zur vorliegenden Erfindung geführt.
Die Erfindung verwendet die inhärente Steifigkeit der dreiekkigen Form, wie sie im Octaeder vorliegt.
Ein Rahmen aus zwölf Streben, welche an sechs Knoten in der klassischen octaedrischen Form miteinander verbunden sind, weist viele wünschenswerte Charakteristiken auf, welche die Verwendung als ein Werkzeugmaschinenrahmen anbieten. Er weist eine inhärente orthogonale Symmetrie auf, welche nicht nur komplementär zu den eingerichteten orthogonalen Achsen der linearen Werkzeugmaschinenzuführbewegung ist, sondern, was wichtiger ist, in Antwort auf durch den Schwerpunkt des octaedrischen Rahmens hindurchgehende ausgeübte Kräfte eine gleichmäßige Steifigkeit bezüglich eines orthogonalen Koordinatensystems tatsächlich in jede Richtung vorsieht. Im Vergleich mit seinem tetraedrischen Vorgänger ermöglicht der octaedrische Rahmen mit seinen gegenüberliegenden dreieckigen Feldern die Ausgestaltung des Trägers der angetriebenen Arbeitseinheit und des Arbeitstisches derart, daß sie die gleiche und entgegengesetzte Arbeitskraft und Reaktion, welche an der Grenze zwischen Werkstück und Werkzeug erzeugt werden, auf den Rahmen an den Knoten von gegenüberliegenden parallelen Rahmenfeldern übertragen. Die octaedrische Form beseitigt somit jegliches Erfordernis der für die Steifigkeit schädlichen Mittelstreben-Biegebelastung und sieht gleichzeitig einen zweckmäßigeren Raum innerhalb des Rahmens bezüglich des eingenommenen Fabrikraums vor. Er ist in Antwort auf Änderungen der Umgebungstemperatur tatsächlich selbstkompensierend; das ist eine wichtige Betrachtung beim Beibehalten der Deckung programmierter und tatsächlicher Orte des Werkzeugpunkts beim numerisch gesteuerten Bearbeiten innerhalb enger Toleranzen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung, nämlich der Verwendung von Sechsfuß-Servotreben-Trägern für das Werkzeug oder den Arbeitstisch oder beide innerhalb des octaedrischen Umfelds, wofür die dreieckigen Felder des octaedrischen Rahmens sehr geeignet sind, wird die inhärent gleichförmige Steifigkeit des octaedrischen Rahmens direkt auf den Mittelpunkt des Rahmens übertragen, wo die Schneidekräfte vorzugszweise erzeugt werden.
Die Erfindung wird lediglich anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
FIGUR 1 ein zur Orientierung beigelegtes perspektivisches Diagramm eines regelmäßigen Octaeders ist;
FIGUR 2 eine Frontansicht des octaedrischen Maschinenrahmens der Erfindung ist, gesehen in einer Projektion auf eine Ebene orthogonal zu einer der Symmetrieebenen des Octaeders, welcher in sich einen sechsfüssig angebrachten Spindelkopf mit sechs Bewegungsfreiheitsgraden oberhalb eines festen Werkstückträgers aufweist;
FIGUR 3 eine Ansicht des Rahmens der FIGUR 2 projeziert auf die sich als die Linie 3-3 der FIGUR 2 erstreckende Ebene ist, wobei die Betriebselemente der Werkzeugmaschine aufgrund einer klareren Darstellung des octaedrischen Rahmens weggelassen sind;
FIGUR 4 eine diagrammatische Wiedergabe des Maschinenrahmens der FIGUR 2 ist, wobei dieser auf die durch die Linie 4-4 der FIGUR 2 wiedergegebene Ebene projeziert ist, d.h. eine diagrammatische Draufsicht des in FIGUR 2 gezeigten Rahmens und Werkzeugträgers ist;
FIGUR 5 eine Schnittansicht eines Elements der Maschine der FIGUR 2 entlang einer Linie 5-5 derselben ist;
FIGUR 6 eine verkürzte Ansicht einer in der Maschine der FIGUR 2 verwendeten Servostrebe ist;
FIGUR 7 eine Schnittansicht der Servostrebe entlang der Linie 7-7 der FIGUR 6 ist;
FIGUR 8 eine Querschnittsansicht der verkürzten Servostrebe der FIGUR 6 und 7 ist;
FIGUR 9 ein Diagramm ist, welches den momentanen Vektor der Schneidekraft und deren Reaktion in dem Maschinenaufbau der FIGUR 2 sowie dessen Auflösung in den Ebenen der Spindelträgerplattform und des Arbeitstisches in Komponenten darstellt, welche jeweils zu den oberen und unteren Knoten des octaedrischen Rahmens gerichtet sind;
FIGUR 10 eine der FIGUR 8 entsprechende Ansicht ist, welche den hyperbolischen Ort des Schneidekraftvektors und die elliptischen konischen Orte der aufgelösten Komponenten desselben darstellt, welche auf die Knoten des octaedrischen Rahmens gerichtet sind, wobei die FIGUR darstellt, wie die Konfiguration der Aufhängungs- und Trageelemente einer festen Spindeleinheit und/oder eines Arbeitstisches für eine maximale Biegefestigkeit abgeleitet werden können;
FIGUR 11 eine der FIGUR 9 entsprechende Ansicht ist, wobei der octaedrische Rahmen um eine Linie durch die Flächenschwerpunkte der oberen und unteren dreieckigen Flächen desselben gedreht ist, um das Auflösen der Schneidekraftvektorkomponenten zu ihren jeweiligen Knoten des Rahmens besser darzustellen; und
FIGUR 12 eine Ansicht des octaedrischen Maschinenrahmens ist, welche der FIGUR 2 gleicht, wobei jedoch die Art der jeweiligen Träger der Spindeleinheit und des Arbeitstisches umgekehrt ist.
Wie in den FIGUREN 2 und 3 dargestellt, umfaßt der Maschinenrahmen der Erfindung ein Feld von zwölf steifen Streben 20 mit gleicher Länge, welche in der Form eines regelmäßigen Octaeders durch sechs Knotenverbindungselemente 22 miteinander verbunden sind. Die Streben 20 können feste Zylinder sein, sind jedoch aus Gründen, welche später augenscheinlich werden, vorzugsweise aus dickwandigem Rohr gefertigt, und sind mit ihren jeweiligen Knotenverbindungselementen 22 durch Schweißen, durch Schrauben, Bolzen oder Verankerungsbolzen steif verbunden. Die Knotenverbindungselemente 22 sind als dicke Blöcke ausgebildet, welche den Octaeder an seinen Spitzen abstumpfen, um das Anbringen der aktiven Werkzeugmaschinenelemente zu ermöglichen. Wie dargestellt, sind sie mit Facettenoberflächen versehen, welche orthogonal zu den Achsen der Rahmenstreben 20 liegen, sie könnten jedoch eine Vielzahl von Formen annehmen, wobei die prinzipiellen Funktionsanforderungen an die Verbindungselemente des Rahmens diejenigen sind, daß sie ausreichend steif sind, um die Umwandlung der auf diese durch die aktiven Maschinenelemente ausgeübten Belastungen in Biegemomente, welche auf die Enden der verbundenen Streben ausgeübt werden, zu minimieren.
Die für die Darstellung in der FIGUR 2 ausgewählte Art einer Werkzeugmaschine weist einen bewegbaren Fräs-, Drill- oder Bohrspindelkopf 26 auf, dessen Spindelachse für die einfachere Beschreibung so gedacht werden kann, daß sie vertikal auf den gegenüberliegenden, orthogonal zu den Flächenmittelpunkten des oberen und des unteren dreieckigen Feldes des octaedrischen Rahmens orientiert ist, welcher oberhalb eines festen Arbeitstisches 28 im Gleichgewicht gehalten ist und welcher durch drei Beine 30 getragen ist, die von dem Arbeitstisch zu den Verbindungselementen 22 an den Knoten des unteren dreieckigen Feldes des Rahmens verlaufen.
Wie in FIGUR 2 gezeigt, ist die Spindel mit einem Flächenfrässchneider 32 versehen, welcher selbstverständlich durch einen Frässchneider jeder Art oder ein Bohrwerkzeug, einen Bohrer oder eine elektrische Prüfsonde ersetzt werden könnte. In gleicher Weise könnte die Spindeleinheit diejenige eines Schleifers sein, oder könnte durch einen zusammengesetzten Band- oder Seil-Verlegekopf oder durch eine elektrische, elektronische, Gas-, Laser- oder Fluidarbeitseinheit ersetzt werden, welche komplexe räumliche Wege erfordern. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Spindelkopf 26 durch sechs einzeln einstellbare und zusammen steuerbare, ausziehbare und zusammenziehbare Servostreben 34 sechsfüssig getragen, von welchen Streben jeweils zwei an jedem der drei oberen Knotenblöcke 22 in Kugelgelenken 36 angebracht sind, welche dem distalen Ende jeder Strebe ein sphärisches Schwenken innerhalb eines beschränkten Bereichs ermöglichen. Die distalen Enden der Streben 34 sind in gleicher Weise mit dem Spindelkopf 26 in Kugelgelenkverbindungen 38 verbunden, welche in einem hexagonalen Feld um die Seiten des Spindelkopfs 26 im Abstand zueinander angeordnet sind. Der Spindelkopf kann daher selbst in zweckmäßiger Weise bei Draufsicht hexagonal ausgestaltet sein, wie in FIGUR 4 gezeigt, oder er kann zylindrisch sein oder er kann jede andere geeignete Form annehmen, um die Kugelenden der sechs Tragestreben jeweils in individuellen Kugelsockeln aufzunehmen, welche in der Seitenfläche oder den Seitenflächen desselben in einem hexagonalen Feld angeordnet sind.
Wie bekannt ist, sehen die sechs ausziehbaren und zusammenziehbaren Streben 34, welche zusammen unter einer geeigneten gemeinsamen Steuerung wirken, eine sechsachsige Bewegung und ein universelles Positionieren des Spindelkopfs bezüglich des Werkstücks innerhalb der Bewegungsgrenzen der individuellen Servostreben vor, d.h. lineare Bewegung entlang und Drehung um die drei bekannten orthogonalen Achsen der Werkzeugmaschine, wobei nur eine dieser Bewegungen, nämlich die lineare Bewegung in der vertikalen oder Z-Achse 40 der Maschine in FIGUR 2 dargestellt ist.
Das dargestellte hexagonale Feld der Universalgelenke 38 an den distalen Enden wird dem im wesentlichen dreieckigen Feld vorgezogen, welches in einigen sechsfüssig getragenen Plattformen des Stands der Technik verwendet wird, da es der Plattform in allen Lagen eine größere Stabilität verleiht, und da es eine stark verringerte Eigenschaft aufweist, Positionen einzunehmen, aus welchen ein Herausbewegen nicht mehr möglich ist. Der letztere Zustand ist ein Nachteil des dreieckigen Feldes. Insbesondere wenn irgendein Paar der sechs Beine, welche paarweise an einer der in Dreiecksform angeordneten Verbindungen der Beine mit der Plattform angeordnet sind, eine mit dieser koplanare Stellung annehmen kann, kann keine Beeinflußung von einem der Beine ein Rückführmoment erzeugen, um sicherzustellen, daß das somit gebildete Gelenk sich von der Mitte in der Rückkehr- d.h. Rückführrichtung verschwenkt.
Bei dem hexagonalen Feld ist jedoch im Gegensatz dazu immer ein Rückführmoment auf den gesteuerten Körper ausübbar, um daher ein größeres Ausmaß von kontrolliertem stabilen Positionieren zu ermöglichen. Die hexagonal angeordnete Form würde in gleicher Weise wie die dreieckige Form in dem Ausnahmefall unstabil sein, in welchem alle sechs Beine in einer Ebene liegen, eine derartige Lage wird jedoch durch geeignete Beschränkungen entweder des Servostrebenaufbaus oder der gesteuerten Bewegung leicht vermieden. Tatsächlich ist es bei der hexagonal angeordneten Form durch Programmieren der Bewegung derart, daß die Plattform durch diese Ebene nur und immer in einem gekippten Zustand hindurchgeht, d.h., so daß die Ebene der hexagonal angeordneten Verbindungen 38 nie mit der gemeinsamen Ebene der Basisgelenke der Servostreben übereinstimmt, möglich, die Plattform durch die gemeinsame Ebene der Basisgelenke der Servostreben hindurchzubewegen, wenn dies gewünscht sein sollte, z.B. für einen zusätzlichen Zwischenraum innerhalb des octaedrischen Rahmens zum Einladen und Entnehmen des Werkstücks.
Die Servostreben 34 sind Seite an Seite in drei Knotenblöcken 22 des oberen Feldes des Rahinens angebracht, bei Betrachtung in FIGUR 2, von welchen sie sich paarweise nach unten zum Spindelkopf 26 erstrecken, welcher, ebenso wie die Knotenblökke des Rahmens, derart aufgebaut ist, daß er äußerst biegefest ist, und welcher, ebenso wie der Maschinenrahmen selbst, in jeder Lage oder Position durch die dreieckigen Felder aus sechs Servostreben 34 äußerst steif positioniert ist.
Die Servostreben selbst, wie sie in den FIGUREN 6, 7 und 8 gezeigt sind, sind im wesentlichen zwei teleskopartig und nicht drehbar ineinandergepaßte dickwandige Rohre 42 und 44, wovon das äußere, 42, das Basiselement ist, welches konzentrisch in eine Kugel 46 eingesetzt ist, an welcher es in einem Winkel im Bereich von 60º schwenkbar ist, wenn es an dem passenden kugelförmigen Sockel des Kugelgelenks 36 in den oberen Scheitelblöcken des Maschinenrahmens angebracht ist. Eine axiale Schraube 48, welche in mehreren Drucklagern zu Drehung in dem äußeren Rohr gelagert ist, ist durch einen Servomotor 52 angetrieben, welcher mit der Schraube am rechten Ende derselben gekoppelt ist, wie in FIGUR 8 zu sehen ist. Die Schraube 48 steht in Eingriff mit einer Mutter 54, welche innerhalb des inneren, ausziehbaren, 44, der beiden Teleskoprohre, welche die Strebe bilden, verkeilt und festgelegt ist. Die Drucklager 50, welche die Antriebsschraube tragen, sind Lager für schwere Lasten, welche innerhalb der Kugel 46 zentriert sind, um die Belastung von der Schraube auf die Kugel und somit den Maschinenrahmen mit einer minimalen Verbiegung zu übertragen, und die Schraube selbst und ihre passende Mutter sind vorzugsweise von dem Planeten-Rollen-Typ.
Obwohl die Antriebskraft der Servostreben 34, so wie sie momentan ausgeführt sind, durch eine motorgetriebene Schrauben- Mutter-Anordnung vorgesehen ist, können andere Formen eines elektromechanischen Antriebs oder eines hydraulischen Zylinderantriebs, welche mit vergleichbarer Genauigkeit steuerbar sind, verwendet werden.
Das innere Rohr 44 ist gegen Drehung innerhalb des äußeren Rohrs 42 durch die in FIGUR 7 am besten gezeigte Anordnung gesichert. Ein Kiel 60, welcher zwischen zwei in die äußere Oberfläche des inneren Rohrs 44 gefrästen ebenen Abschnitten ausgebildet ist, steht an beiden Seiten mit einem Paar von starken Führungsstangen 62 aus Bronze, welche sich in das Innere des äußeren Rohrs 42 erstrecken, über die Gleithülse 64 an der Öffnung des äußeren Rohrs 42 in Eingriff, welche am äußeren Rohr durch Maschinenschrauben, welche in nahezu tangentialen Löchern in der Wandung des äußeren Rohrs zwischen den Führungsstangen sitzen, gesichert ist.
Eine am äußeren Ende des ausziehbaren und zurückziehbaren Rohrs 44 festgelegte Kappe 66 trägt die kleinere Kugel 68, welche in einem geeigneten Kugelsockel 38 der Spindeleinheit 26 aufgenommen ist. Das tatsächliche Ausziehen des inneren Rohrs aus dem äußeren Rohr in einem Bereich, welcher z.B. ungefähr 30 Zoll (76 cm) betragen kann, wird zur Rückkopplungssteuerung durch diametral gegenüberliegende lineare Codierer 70 und 72 zur Positionsrückkopplung zum Leistungsverstärker für den Servomotor in jeder Strebe genau gemessen. Jeder der Codierer 70, 72 umfaßt eine Skala 74, welche an einem in die äußere Oberfläche des äußeren Rohrs 42 zum Vorsehen eines stabilen Sitzes gefrästen ebenen Abschnitt festgelegt ist, sowie einen Ableser 46, welcher an einem Träger 78 angebracht ist, welcher wiederum an einem bezüglich der Strebe über ein Linearlager 82 bewegbaren Träger 80 angebracht ist, welches Lager wiederum auf einem in die äußere Oberfläche des äußeren Rohrs 42 eingefrästen ebenen Abschnitt sitzt. Eine Stange 84, welche an einem Ende in der Kappe 66 verankert ist und an ihrem anderen Ende in dem Träger 78 einstellbar ist, bewegt den Ableser 76 entlang der Skala 74, um eine digitale Anzeige des Ausmaßes des Ausziehens des inneren Rohrs aus dem äußeren vorzusehen. Zwei gegenüberliegende Sensoren werden verwendet, um mittelbare Ablesungen vorzusehen, um jedes Verbiegen der Strebe aufgrund seitlich einwirkender Gravitations- und Trägheitskräfte zu kompensieren. Eine Geschwindigkeitsrückkopplung ist durch einen herkömmlichen in den Servomotor eingebauten und nicht separat gezeigten Tachometer vorgesehen. Es ist selbstverständlich, daß die Verflechtung der Sechsachsbewegung vorzugsweise mit momentan erhältlichen Werkzeugmaschinen-Steuersystemen durch computernumerische Steuerung durchgeführt wird.
Während aufgrund der Genauigkeit die doppelte lineare Messung des Ausziehens der Servostrebe am Ort der Bewegung bevorzugt ist, wird zur Kenntnis genommen, daß die Verwendung eines einzigen linearen Sensors zum Aufnehmen des Ausziehens ausreichen kann, wenn ein durch die Anwendung erforderliches Ausmaß an Genauigkeit nicht so wichtig ist. Wenn eine Genauigkeit in einem kritischen Ausmaß nicht erforderlich ist, kann ein Dreh-Codierer am Motor ausreichen, dies wird jedoch nicht bevorzugt, da dieser das Federn der Strebe unter Axialbelastung nicht erfassen kann.
Wie bereits vorher angemerkt, sind die drei Tragebeine 30 des festen Arbeitstisches 28 vorzugsweise als elliptische Konen ausgebildet, welche durch das in den Diagrammen der FIGUREN 9 bis 11 gezeigte Verfahren bemessen und ausgestaltet werden, um in dem jedes individuelle Bein des Arbeitstisches bildenden Material die aufgelöste Komponente der Schneidekraftreaktion aufzunehmen, welche dem jeweiligen Bein zugeordnet ist. Die Art und Weise, in welcher diese Konfiguration abgeleitet wird, d.h. die durch die FIGUREN 2 und 5 gezeigte elliptische konische Konfiguration, wird zunächst mit Bezug auf die FIGUR 9 beschrieben.
Bei einem Dreh-Schneide-Werkzeug sind die Schneidekraft und ihre Reaktion 90 entlang einer Linie gerichtet, welche durch die aktive Schneidekante des Werkzeugs bei einem Abstand von der Drehachse des Werkzeugs hindurchgeht und bezüglich einer zur Drehachse orthogonalen Ebene unter einem von der Schneidegeschwindigkeit, dem Vorschub, der Schneidetiefe, der Schneidekantengeometrie, dem Material des Werkstücks, etc. abhängigen Winkel geneigt ist. Wenn das Werkzeug sich dreht, tut dies auch der Kraftvektor 90, welcher daher ein Drehhyperboloid 92 um die Spindelachse 40 beschreibt (FIGUR 10). Da die in dem Werkstück in einer Schneideebene 94 erzeugte Schneidekraft auf den Arbeitstisch 28 an dessen Oberfläche übertragen wird, ist die Schneidekraft 90 in der Ebene 96 dieser Oberfläche in drei Kraftkomponentenvektoren 98, 100 und 102 auflösbar, wovon jeder momentan zu seinem zugeordneten Knoten des unteren Feldes des octaedrischen Rahmens gerichtet ist. Die Spuren der drei separaten Komponentenvektoren von dem kreisförmigen Schnittbereich des sich drehenden Schneidekraftvektors mit der Oberfläche 96 zu den drei unteren Knoten des octaedrischen Rahmens nehmen die Form von drei elliptischen Konen 98', 100' und 102' an (FIGUREN 10 und 11).
Insofern, als es wünschenswert ist, daß diese Kraftkomponenten durch das Material der Tragebeine hindurchgerichtet sind, um zu vermeiden, daß die Elemente Biegebelastungen ausgesetzt werden, ist es wünschenswert, die drei Tragebeine 30 in einer elliptischen konischen Konfiguration auszubilden, um diese Kräfte ohne oder wenigstens mit einem Minimum an Biegebelastungen abzufangen. Ferner sind, insofern als die Neigung des Schneidekraftvektors sich mit der Veränderung der diesen bestimmenden, vorher erwähnten Faktoren ändern wird, die elliptischen konischen Tragebeine 30 als die umfassende Umhüllung aller Reaktionskraftkomponenten 98', 100' und 102 für alle Größen eines kreisförmigen Schnittbereichs aller möglichen Drehhyperboloide an der Oberfläche des Arbeitstisches geformt und dimensioniert. Derartige all-umfassende Tragebeine können deutlich größer und mit dickerer Wandung ausgebildet und daher notwendigerweise steifer sein als wenn sie für eine einzige spezifische Anwendung gestaltet wären.
Die äußeren Enden der Tragebeine 30 des Arbeitstisches 28 können an den unteren Knotenblöcken der FIGUR 2 in jeder praktischen Art und Weise fest gesichert sein, sie sind jedoch derart dargestellt, daß sie an einer Kugel 74 festgelegt sind, welche als eine Vorsorge gegen die Übertragung von Biegemomenten von dem Arbeitstisch 28 auf den Maschinenrahmen in einem passenden Sockel in dem Knotenblock aufgenommen ist.
Die umgekehrte Anordnung des Spindelkopfs und des Arbeitstisches ist in FIGUR 12 gezeigt, worin der Spindelkopf 26' fest innerhalb des octaedrischen Rahmens durch drei Arme 30' getragen ist und der Arbeitstisch 28' an sechs Servorstreben 34' bewegbar angebracht ist. Die Ausgestaltung der Tragearme 30' entspricht vorzugsweise den zur Ausgestaltung der Tragebeine 30 des festen Arbeitstisches 28 der FIGUR 2 angegebenen Kriterien, d.h. sie entspricht den Kraftkomponentendiagrammen der FIGUREN 9 bis 11, was zu elliptischen konischen Tragearmen 30' für die Spindeleinheit 26' führt. Da die in dem Werkzeug an der Schneideebene 94 erzeugte Schneidekraftreaktion auf die Spindeleinheit zum großen Teil an deren unterer Oberfläche übertragen wird, wird die ultimative Konfiguration von jedem Tragearm aus den kreisförmigen Schnittbereichen aller möglichen Schneidekraftreaktionsvektoren mit der Ebene 104 der unteren Oberfläche der festen Spindeleinheit 26' abgeleitet.
Bei der Darstellung des Prinzips des octaedrischen Werkzeugmaschinenrahmens durch Bezug auf nur zwei spezielle Arten einer Werkzeugmaschine, deren aktive Teile innerhalb des octaedrischen Rahmens angeordnet sind, ist es praktisch gewesen, den Rahmen so darzustellen, daß er auf einer seiner dreieckigen Facetten als ein horizontales Basisfeld, jedoch getragen, positioniert ist. Die zulässige Orientierung des octaedrischen Rahmens ist jedoch aufgrund seiner gleichförmigen Steifigkeit bezüglich jedem Satz orthogonaler Achsen im wesentlichen unbegrenzt. Statt des Positionierens des Rahmens wie in den FIGUREN 2 und 12 gezeigt, d.h. die jeweiligen Senkrechten auf die Flächenschwerpunkte gegenüberliegender Felder stimmen mit dem Schwerkraftvektor überein, könnte der Rahmen wie in FIGUR 1 gezeigt positioniert werden, d.h., der Schwerkraftvektor ist mit einer inneren Diagonale ausgerichtet, oder der Rahmen könnte tatsächlich in jeder anderen an das Erfordernis des Konstrukteurs angepaßten Orientierung positioniert werden.
In gleicher Weise können, obgleich die Betriebsteile der Werkzeugmaschine mit einer einzigen Spindel dargestellt sind, wobei entweder die Spindel oder der Arbeitstisch nominell horizontal steht aber mit sechs Freiheitsgraden bewegbar ist, mehrere Spindeleinheiten verwendet werden, welche von den "seitlichen" Feldern des wie in FIGUR 2 gezeigt orientierten Rahmens sechsfüssig getragen sind, um von mehreren Seiten auf ein auf einem Arbeitstisch angeordnetes Werkstück zugreifen zu können, welcher Arbeitstisch in irgendeiner Orientierung innerhalb des Rahmens zentral angeordnet ist. Tatsächlich scheint es so, daß prinzipiell kein Grund besteht, warum eine derartige sechsfüssig angebrachte Arbeitseinheit, entweder Spindeleinheit oder sonstige Einheit, nicht im Äußeren eines octaedrischen Rahmens angebracht sein sollte. Die Möglichkeiten, von der inhärenten Steifigkeit des octaedrischen Rahmens beim Aufbau von Werkzeugmaschinen Vorteil zu nehmen, bieten dem Konstrukteur von Werkzeugmaschinen, obgleich sie nicht unbegrenzt sind, dennoch breite Optionen für die Konfiguration der Maschine.
In der vorangehenden Zusammenfassung der Erfindung ist auf die gleichförmige Steifigkeit des octaedrischen Rahmens bezüglich durch dessen Mittelpunkt gerichteten Kräften verwiesen worden. Diese ideale Situation wird jedoch nicht erhalten, mit Ausnahme vielleicht beim Bohren, die Abweichung von der gleichförmigen Steifigkeit bezüglich der tatsächlichen Schneidekräfte, welche nicht zum Mittelpunkt orientiert sind, ist aufgrund der Tatsache, daß die Gesamtsteif igkeit des Rahmens in jeder Richtung die Summe der Steifigkeiten seiner der angelegten Belastung widerstehenden Elemente ist, relativ klein.
Die gleiche Beobachtung trifft bei dem Sechsfuß-Servostreben-Träger des Maschinenelements, Arbeitstisch oder Spindeleinheit, zu. Wenn das Maschinenelement zentriert wäre, d.h. alle Streben haben die gleiche Länge, wäre seine Steifigkeit an allen Koordinatenachsen identisch und, unter der Annahme der gleichen Steifigkeit in dem Träger des entsprechenden Maschinenelements, könnte, da die radiale Steifigkeit konstant wäre, theoretisch ein perfekter Zylinder gebohrt werden.
Bei Abweichungen von dem Zentrum, d.h. die Servostreben sind mit verschiedenen Längen eingestellt, ist der Verlust der Gleichförmigkeit nur gering, da, obwohl die Strebensteifigkeit sich invers mit der Länge verändert, die gesamte Steifigkeit der Sechsfuß-Anbringung in jeder Richtung die Summe der Steifigkeiten der einzelnen Streben ist, von welchen einige typischerweise verkürzt sind, während andere beim Führen des Maschinenelements verlängert sind.
Die vorangehende Beschreibung des octaedrischen Werkzeugmaschinenrahmens ist auf der Basis der regelmäßigen octaedrischen Form erfolgt, d.h. alle Streben weisen die gleiche Länge und den gleichen Aufbau auf. Während dies für eine symmetrische Steifigkeit an den oder um alle orthogonalen Achsen wünschenswert ist, kann es Fälle geben, in welchen die Symmetrie der Steifigkeit wegen anderer Vorteile aufgegeben werden kann, welche durch eine zweckmäßige Abweichung von der Symmetrie der Form und einer Variation des Octaeders von dem regelmäßigen zu einem unregelmäßigen Format erzielt werden können. In einem derartigen Falle werden jedoch trotzdem die Prinzipien des Vermeidens von Biegebelastungen an den einzelnen Aufbauelementen der Anordnung und beim Übertragen der Belastung zwischen diesen in wünschenswerter Weise beobachtet.
Die selbstkompensierende Eigenschaft des regelmäßigen octaedrischen Rahmens bei Änderungen der Umgebungstemperatur erfordert eine gleichförmige Umgebung, was nicht immer der Fall sein kann. Aus diesem Grund beabsichtigt die Erfindung eine Verbesserung, welche die Verwendung von dickwandigem Rohr für die Rahmenstreben 20 wünschenswert macht. Neben der wünschenswerten ökonomischen und gleichförmigen Verteilung von Material um die neutrale Achse der Rohrform, ermöglicht das hohle Innere das Vorsehen einer Zirkulation eines Temperatur-Steuerungs-Fluids von einem Wärmetauscher (nicht gezeigt) durch den Rahmen, um die Temperatur aller Streben gleich zu machen und somit die Erzeugung von Biegebelastungen darin aufgrund einer ungleichmäßigen Expansion oder Kontraktion zu vermeiden. Aus diesem Grund kann, wie mit Bezug auf eine Strebe in FIGUR 3 gezeigt, eine Einströmöffnung 106 in der Mitte der Länge jeder Strebe vorgesehen sein, sowie Ausströmöffnungen 108 an den entgegengesetzten Enden. Das verwendete Fluid ist vorzugsweise derart, daß es ebenso für eine vibrationsdämpfende Funktion dient.
Man wird erkennen, daß keine Fundamente, wie sie z.B. typischerweise in Werkzeugmaschinen mit großen Rahmen verwendet werden, um die kinematische Schleife zu schließen, in den Zeichnungen gezeigt sind. Dies liegt daran, daß die kinematische Schleife innerhalb des octaedrischen Rahmens selbst geschlossen ist, welcher bei Orientierung wie in FIGUREN 2 und 12 einfach auf einem Maschinenboden ruhen kann, in welchem geeignete Vorkehrungen getroffen sein können, um die unteren Verbindungselemente 22 in schwingungssicheren Anbringungen aufzunehmen, um den Rahmen von äußeren Kräften zu isolieren und den Rahmen unbeweglich zu machen.
Bei verschiedenen Orientierungen des Rahmens, in welchen er ansonsten bezüglich der Gravitation oder anderer externer Kräfte nicht stabil sein würde, kann es erforderlich sein, den Rahmen durch eine Stütze oder ein Gestell an einem oder mehreren seiner Knoten, d.h. den Verbindungselementen 22, zu stützen, um den Rahmen zu stabilisieren.
Während Unterbauten an sich nicht wesentlich sind, und aus dem Standpunkt der anderen Verhaltenscharakteristiken des verschiedenen verwendeten Materials, z.B. Beton, nicht vorteilhaft sind, ist es annehmbar, daß für einige Zwecke ein geeignet steifer Beton- oder ein anderer monolithischer Unterbau dazu verwendet werden kann, eines oder mehrere der unteren Felder des Octaeders als Ganzes oder teilweise, jedoch orientiert, zu ersetzen. Unter diesen Umständen wäre es jedoch erforderlich, die Effekte der Biegebelastungen, welche sich aus dem unterschiedlichen Ansprechen auf Temperaturänderungen ergeben, und das unterschiedliche Federn der kinematischen Schleife oder Schleifen bei den auftretenden Arbeitsbelastungen zu akzeptieren.
Die als neu und patentierbar betrachteten Kennzeichen der Erfindung sind in den beiliegenden Ansprüchen angegeben.

Claims

PR/AB

1. Werkzeugmaschine mit einem Rahmen zum Tragen einer Arbeitseinheit (26, 26') und eines Arbeitstisches (28, 28'), welcher durch die Arbeitseinheit (26, 26') zur Durchführung von deren Arbeitsfunktion an einem auf dem Arbeitstisch (28, 28') angebrachten Arbeitsstück zugänglich ist, wobei die Werkzeugmaschine dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zwölf an ihren Enden in der Form eines Octaeders mit dreieckigen Feldern miteinander verbundene Streben (20) umfaßt, daß die Arbeitseinheit (26, 26') an dem Rahmen durch einen Satz von Tragestreben (34, 30') angebracht ist, welche sich von der Arbeitseinheit (26, 26') zu den Ecken (22) von einem der dreieckigen Felder des Octaeders erstrecken, und daß der Arbeitstisch (28, 28') an dem Rahmen durch einen zweiten Satz von Tragestreben (30, 34') angebracht ist, welche sich von dem Arbeitstisch (28, 28') zu den Ecken eines weiteren der dreieckigen Felder des Octaeders erstrecken.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, worin die Arbeitseinheit (26, 26') und der Arbeitstisch (28, 28') von den Ecken (22) gegenüberliegender dreieckiger Felder des Octaeders aus getragen sind.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, worin die gegenüberliegenden dreieckigen Felder des Octaeders parallel sind und eine gemeinsame Senkrechte durch ihre Flächenschwerpunkte aufweisen, und worin die Arbeitseinheit (26, 26') ein Spindelkopf ist, dessen Spindelachse in der Senkrechten liegt, wobei die Spindelarbeitseinheit (26, 26') und der Arbeitstisch (28, 28') innerhalb des Octaeders angeordnet sind, wobei deren Tragestreben (30, 34' und 34, 30') dazu gestaltet sind, ihre jeweiligen Komponenten der Schneidekräfte auf den octaedrischen Rahmen ohne Biegebelastungen innerhalb der Tragestreben (30, 34' und 34, 30') zu übertragen.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, worin die Spindeleinheit (26, 26') und/oder der Arbeitstisch (28, 28') innerhalb des durch den Rahmen festgelegten Raums festgelegt sind/ist und die Ausgestaltung ihrer/seiner Tragestreben (30, 34') derart ist, daß die jeweilige Komponente der Schneidekräfte vollständig durch einen ununterbrochenen Weg in dem die Strebe (30, 34') bildenden Material übertragen wird.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, worin der Spindelkopf (26, 26') ein starrer Körper ist und seine Tragestreben (34, 30') starre elliptische Kegel sind, deren Aufbaumaterial entlang ihrer gesamten Länge die Komponenten der jeweils durch diese aufgenommenen Schneidekräfte ununterbrochen umgibt.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4 worin der Arbeitstisch (28, 28') ein starrer Körper ist und das Aufbaumaterial seiner Tragestreben (34, 30') die jeweils durch diese aufgenommenen Komponenten der Schneidekräfte ununterbrochen entlang ihrer gesamten Länge umgibt.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, worin die zwölf Rahmenstreben (20) durch starre Verbindungselemente an den Spitzen des Octaeders verbunden sind, die Tragestreben (34, 30' und 30, 34') der Arbeitseinheit (26, 26') und des Arbeitstisches (28, 28') mit den Verbindungselementen verbunden sind, die Anzahl der Tragestreben (34, 34') von wenigstens einem der Sätze sechs ist und diese paarweise durch Universalgelenke mit den Verbindungselementen (22) an den Ecken des diesen zugeordneten dreieckigen Feldes verbunden sind und in gleicher Art und Weise durch Universalgelenke an ihren entgegengesetzten Enden mit dem Maschinenelement (26, 28') verbunden sind, welches sie tragen, wobei die Streben (34, 34') des einen Satzes durch Krafteinwirkung mittels koordinierter Servosteuerung derselben verlängerbar und kontrahierbar sind, um das Maschinenelement (26, 28') mit sechs Freiheitsgraden zu bewegen.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, worin die dreieckigen Felder, deren Verbindungselemente (20) jeweils mit den Tragestreben (34, 30') der Arbeitseinheit (26, 26') und des Arbeitstisches (28, 28') verbunden sind, gegenüberliegende Felder des octaedrischen Rahmens mit einer gemeinsamen Senkrechten durch ihre jeweiligen Flächenschwerpunkte sind.

9. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, worin die zwölf Rahmenstreben (20) die gleiche Länge aufweisen, die Arbeitseinheit (26, 26') und der Arbeitstisch (28, 28') beide innerhalb des octaedrischen Rahmens angeordnet sind, die Arbeitseinheit (26, 26') eine Spindelkopfeinheit ist, welche durch die servogesteuerten Streben (34) getragen ist, um ein darin angebrachtes Werkzeug (32) mit sechs Freiheitsgraden bezüglich des Rahmens zu führen, und der Arbeitstisch (28) durch seine Tragestreben (30) festgelegt ist, um ein Werkstück darauf innerhalb der Arbeitszone des Werkzeugs zu positionieren.

10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, worin die zwölf Rahmenstreben (20) die gleiche Länge aufweisen, die Arbeitseinheit (26') und der Arbeitstisch (28') beide innerhalb des octaedrischen Rahmens angeordnet sind, die Arbeitseinheit (26') eine Spindelkopfeinheit ist, welche durch ihre Tragestreben (30') festgelegt ist, wobei die Achse ihrer Spindel durch den Schwerpunkt des octaedrischen Rahmens hindurchgeht, und der Arbeitstisch (28') durch die servogesteuerten Streben (34') getragen ist, um ein darauf angebrachtes Werkstück mit sechs Bewegungsfreiheitsgraden bezüglich der Spindel in der Arbeitszone eines durch diese getragenen Werkzeugs (32) zu führen.

11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, worin die Universalgelenkverbindungen (38) des Satzes von sechs Streben (34) mit dem durch diese getragenen Maschinenelement um das Maschinenelement herum in hexagonaler Anordnung angeordnet sind.

12. Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, worin die Universalgelenke (38) an entgegengesetzten Enden der Streben (34, 34') des einen Satzes Kugelgelenke (46) sind.